[论文解读] On Noncoherent Fading Relay Channels at High SNR

Tobias Koch, Gerhard Kramer|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Cooperative Communication and Network Coding被引用 1

一句话总结

本文在高信噪比下分析非相干衰落中继信道，表明若直接发射机-接收机链路优于中继-接收机链路，则关闭中继可最大化容量。反之，若发射机-中继链路更强，则通过协作可在无瞬时信道状态信息的情况下，实现与MIMO衰落容量相差不到1比特的速率。

ABSTRACT

The capacity of noncoherent fading relay channels is studied, where the communication between the transmitter and the receiver is supported by a relay, where the links between the terminals are fading channels, and where all terminals are aware of the fading statistics, but not of their realizations. It is shown that if the link between the transmitter and the receiver supports higher communication rates than the link between the relay and the receiver, then at high SNR it is best to turn the relay off. It is further shown that if the link between the transmitter and the relay supports higher communication rates than the link between the relay and the receiver, then at high SNR one can achieve communication rates that are within one bit of the capacity of the multiple-input single-output fading channel that results when the transmitter and the relay can cooperate.

研究动机与目标

• 确定在高信噪比下非相干衰落中继信道中中继使用策略的最优方案。
• 分析衰落统计特性而非瞬时信道状态如何影响中继辅助通信的容量极限。
• 评估在非相干条件下，中继协作是否可逼近协作MIMO衰落信道的容量。
• 识别在高信噪比下为最大化吞吐量而应关闭中继的条件。

提出的方法

• 分析终端仅知信道衰落统计分布而不知瞬时信道实现的非相干衰落中继信道容量。
• 采用高信噪比渐近分析，推导在不同链路速率比较下可实现速率的行为。
• 比较直接链路速率（发射机至接收机）与中继至接收机链路速率，以确定中继激活策略。
• 应用MIMO衰落信道容量的相关结果，对发射机与中继协作时的性能进行上界约束。
• 推导在非相干条件下，中继协作可实现与MIMO容量相差不到1比特的速率的条件。
• 采用信息论技术，建立在无瞬时信道状态信息条件下的可实现速率上下界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高信噪比下，非相干衰落中继信道中在何种条件下关闭中继为最优？
• RQ2 发射机-中继链路与中继-接收机链路之间的相对速率性能如何影响系统整体容量？
• RQ3 在缺乏瞬时信道状态信息的条件下，发射机与中继之间的协作能否实现接近MIMO衰落信道容量的速率？
• RQ4 当中继处于激活状态时，非相干中继信道的高信噪比容量行为如何？
• RQ5 缺乏瞬时信道状态信息如何影响最优中继策略？

主要发现

• 若直接发射机-接收机链路的速率高于中继-接收机链路，则在高信噪比下关闭中继可最大化容量。
• 当发射机-中继链路的速率强于中继-接收机链路时，发射机与中继之间的协作可实现与MIMO衰落信道容量相差不到1比特的速率。
• 非相干衰落中继信道的高信噪比容量从根本上受限于中继链路中最弱的环节，尤其是中继-接收机链路。
• 即使缺乏瞬时信道状态信息，只要中继-接收机链路不是瓶颈，发射机与中继协作仍可实现接近容量的性能。
• 最优中继策略的关键取决于三条链路的相对速率：发射机-中继、中继-接收机以及直接发射机-接收机链路。
• 协作条件下与MIMO容量相差1比特的差距是紧致的，无法通过额外的CSI或信道知识进一步缩小。